基于AHP-熵权法的高校实验室安全风险评估及标准化设计研究

刘丰豪1 马隽湫2 王云卿3 彭瑾3

摘要：高校实验室是衡量高校科研水平和办学实力的重要体现，而保障实验室的安全是高校正常开展科研、教研活动的基础。以高校实验室为研究对象，运用AHP-熵权法，建立实验室安全风险评估体系，分析得出实验队伍和电气安全两项得分较低，需要从电气设备及线路故障、实验设备安全操作水平等方面加强监管，提高实验室整体安全水平。基于对实验室风险指标体系的评价，梳理出建立安全标准化的要素，构建了7个一级要素以及相应的二级要素对实验室进行安全标准化设计。

关键词：高校专业实验室；AHP-熵权法；风险评估；安全标准化设计

中图分类号：D631.6 文献标识码：A 文章编号：2096-1227（2024）06-0005-05

高校实验室作为培育大学生实践能力和造就创新型人才的重要保障，日益成为衡量高校科研水平和办学实力的重要体现，保障实验室的安全是高校正常开展科研、教研活动的基础。实验室由于实验设备及材料等的复杂性，往往涉及机械、电气、毒物、辐射、化学等不同种类的威胁。此外，实验室中还会聚集专职实验教师、学生及操作工人等不同类型人员，人们的安全知识水平和安全操作能力参差不齐，一旦遇到不安全情况（过期的高压气瓶、不正确摆放的危险化学试剂、违规用电的操作设备），极易引发人身伤害事故，造成教学科研活动的中断和财产损失。

李志红[1]对100起实验室典型事故进行统计分析，发现火灾和爆炸是实验室事故的主要类型，危险化学品、仪器设备是主要危险因素，违反操作规程或误操作、设备问题、线路故障是引发事故的主要原因。刘鑫等[2]从人、物、环境、管理四方面归纳实验室安全风险清单，利用风险矩阵理论，对各类风险源的发生概率和伤害程度进行分析。刘林涛等[3]对比牛津大学实验室安全体系，指出高校实验室应该注重管理机构、规章制度以及实施保障三方面指标体系的建立，从而保证实验室的安全运行。李国辉[4]针对高校实验室的特殊环境，提出了机构和职责、人员教育培训、作业安全及重大危险源辨识与管理4个不同于企业的二级指标。宗军君等[5]根据实验室评估指标具有多层次、多因素且定量与定性指标并存的特点，提出应用模糊可拓层次分析法来评估实验室建设水平。阳富强等[6]针对高校实验室安全管理特点，绘制出布莱德利曲线模型，将实验室安全管理分为四阶段并提出各阶段的安全管理措施。杨静[7]针对高校实验室安全管理中存在安全意识淡薄、管理制度不完善的问题，从安全意识、管理机制、日常监督等方面提出健全实验室管理体系的对策和建议。周建国、刘乾[8]以辽宁科技大学实验室安全管理为案例，构建学校、学院、实验室三级联动安全管理责任体系，提出经费保障、队伍建设和动态监管并举来加强实验室安全管理。Bai Y等[9]提出一种基于区块链模型的实验室安全管理体系。通过将安全教育、设备管理、废物处理管理等方面进行统一安排，有利于保障安全措施的有效实施。

为了预防和减少高校实验室安全事故，推动实验室全面、安全、可持续发展，本文采用AHP-熵权法，从日常管理、实验设备与材料、环境因素、实验队伍、电气安全5个方面对实验室进行安全评估，并以此为基础对实验室进行标准化设计。目前，尚未有成熟的实验室标准化设计规程规范，本设计内容可为实验室标准化管理提供参考。

1 基于AHP-熵权法的实验室风险评价

1.1 实验室风险评估指标体系构建

参考相关已成熟的标准化评估研究文献，如《国家重点实验室评估指标规则》《高等学校基础课教学实验室评估办法和标准》《高等学校仪器设备管理办法》，从日常管理、实验设备与材料、环境因素、实验队伍、电气安全等5方面出发，对高校实验室进行风险评价指标体系的构建，见表1。

1.2 AHP-熵权法风险评价方法

1.2.1 基于AHP法的主观权重确定

邀请相关专家对同级指标的重要性进行两两比较，运用“1～9”标度法进行量化，见表2，获得指标的相对重要性，并进行赋值。

对于n个元素来说，根据专家打分法对每一层次的n个元素进行两两比较，得到两两比较的判断矩阵A=（aij）m×n。

计算最大特征值，具体计算步骤如下：

①计算判断矩阵每一行元素的乘积Mi；

（1）

②对Mi开n次方根，计算公式如下：

（2）

③将向量正规化，计算公式如下：

（3）

④根据公式可得，判断矩阵A的最大特征值λmax。

一致性指标CI的计算公式为：

（4）

通过上式计算出的CI值越小，表示判断矩阵有较好的一致性；若CI=0，说明矩阵具有完全一致性；CI≠0，可以引入随机一致性指标CR辅助检验。

指标CR公式如下：

（5）

其中RI为平均一致性指标，部分RI见表3。

当n=1、2时，RI=0，公式不成立，但是通常CI=0，具有完全一致性。当阶数n＞2时，公式成立。

当CR＜0.1时，表明该矩阵满足一致性。

计算指标权重，求最大特征值公式AW=λmaxW中的矩阵W是权重向量，对应各指标的权重wj'（j=1，2，…n）。

根据准则层和指标层的权重计算结果，对实验室的指标层进行层次总排序，见表4。

1.2.2 基于熵权法求客观权重

将判断矩阵A=（aij）m×n的各项进行标准化，得到标准矩阵。

计算评估指标的信息熵，第j个指标的信息熵计算公式如下：

（6）

其中k=1/lnn，且可知0≤Ej≤1。

计算各评估指标的熵权，第j个指标的熵权计算公式如下：

（7）

计算指标综合权重。层次分析法的计算结果主观性较强，为了客观准确反映指标权重，综合采用层次分析法和熵权法，确定评价指标的综合权重，计算公式为：

（8）

式中，α为人为主观偏好系数，取值为0≤α≤1，决策者根据偏好给出具体数值，本文取0.5。指标层熵权计算及综合权重见表5。

由表5可知，重点设备及危险材料的储存与使用综合权重最大，其次是实验设备安全操作水平、个人防护用品配置、电气设备及线路故障、应急演练，实验室人员密度所占权重最小。

1.2.3 专业教学实验室整体评估

构建评价集。以10分作为最佳安全程度的分值，风险等级随分值的增加而减小，将实验室划分为5个安全等级，见表6。

计算评价结果。采用线性加权模型计算专业教学实验室风险度，计算公式如下：

（9）

式中，U为专业教学实验室风险等级；Ui为专业教学实验室评价体系中指标层各指标的综合权重；Fi为计算得出的指标评价数值。

实验室评价结果。准则层指标评估分数见表7。

依据表7构建的评价集，最终得分为2.84270，对应的专业教学实验室安全等级为Ⅲ级（一般安全）。需要采取适当措施，降低教学实验室事故危险，使其达到可接受水平。为进一步分析实验室的危险因子，本文具体分析了准则层的每个指标得分，由表7可知，实验队伍与电气安全得分最低。实验设备与材料得分较高，隐患相对较小，很大程度上保障了实验室的安全水平。因此针对分析结果，需要在实验队伍和电气安全方面进一步加强管理。

结合指标综合权重和专家意见，可得到电气设备及线路故障、实验设备安全操作水平是影响实验队伍和电气安全两方面得分较低的主要因素。故需从这几方面进行监管，以提高实验室的安全水平。

2 交通土建类安全工程专业实验室标准化设计

标准化是指在经济、技术、科学和管理等社会实践中，对重复性的事物和概念，通过制订、发布和实施标准达到统一，以获得最佳秩序和社会效益。实验室标准化是指通过制定有关的制度措施、操作规程、功能布局等方式，对实验室的空间布局、实验设备、材料操作管理等方面进行统一设计。

王兴达[10]综合运用“物理—事理—人理”方法论、PDCA循环体系和层次分析法等建立高校实验室安全管理标准化体系，并利用集对分析理论（SPA）对标准化体系进行分析研究，建立了优化模型。何泳[11]以高校实验室安全标准化现状为依托，设计提出了整合资源、顶层设计、分级管理的高校实验室标准化工作机制。汪弘[12]通过开展安全教育建设、安全管理体系建设、安全可视化建设和实验室安全应急防护四方面的建设探索，构建实验室安全标准化、可持续、全方位的建设体系。

本文基于对实验室风险指标体系的评价，梳理出实验室建立安全标准化的要素及具体标准化要求条款，提出实验室安全设计指导思想、建筑安全布局、安全平面设计、安全功能分区、设备材料安全标准化设计、环境系统设计、安全制度管理7个一级要素以及相应的二级要素，基本涵盖了高校专业实验室安全运行的相关内容，见图1，为之后的实验室标准化管理提供了参考。

同时，还应注意以下原则：①建立相关的安全管理部门。专门负责专业实验室的安全与环境健康工作。②有相关专业的技术专家，对安全、环境、健康相关的工作进行指导。③着重关注高危险的设备、材料，进行实时安全监控。

3 结束语

以实验室实际情况为依托，并参考相关企业的标准化规程标准，建立了专业教学（下转第16页）（上接第8页）实验室安全风险评估体系，其中包括5个一级指标和25个二级指标。运用AHP-熵权法确定综合权重，并获得二级指标综合权重的总排序，发现实验队伍和电气安全两个指标因素的得分较低，需要重点加强监管。基于对实验室风险指标体系的评价，建立了实验室安全设计指导思想、建筑安全布局、安全平面设aab29fbe93bff31547e65fbc8a68ab8e计、安全功能分区、设备材料安全标准化设计、环境系统设计、安全制度管理7个一级要素对实验室整体进行安全标准化设计，为之后的实验室标准化管理提供了参考。

参考文献

[1]李志红.100起实验室安全事故统计分析及对策研究[J].实验技术与管理，2014，31（4）：210-213+216.

[2]刘鑫，孙伟，瞿锦卫.高校木工实验室安全风险分析与评估研究[J].林业机械与木工设备，2022，50（9）：37-43.

[3]刘林涛，田慧珍.高校实验室安全体系改革研究[J].实验技术与管理，2013，30（1）：212-214.

[4]李国辉.安全工程专业视角下高校实验室安全标准化体系的建设[J].实验技术与管理，2020，37（9）：286-288+293.

[5]宗军君，叶结松，侯智斌.模糊可拓层次分析法在实验室评估中的应用[J].实验室研究与探索，2012，31（3）：196-200.

[6]阳富强，李施怡，施永乾.高校实验室安全管理布莱德利曲线模型[J].实验技术与管理，2023，40（1）：211-215.

[7]杨静.构建高校实验室安全管理体系[J].中国新技术新产品，2011（14）：251.

[8]周建国，刘乾.实验室安全管理体系构建[J].中国冶金教育，2023（1）：41-43.

[9]Bai Y，Chen Z，Liao L，et al.Discussion of College and University Laboratory Safety Management System Using Blockchain[C]//IOP Publishing.IOP Publishing，2019：052018.

[10]王兴达.高校实验室安全管理标准化体系构建及评估研究[D].北京：中国地质大学（北京），2021.

[11]何泳.高校实验室安全生产标准化研究[J].实验技术与管理，2015，32（11）：240-243.

[12]汪弘.高校实验室安全标准化建设探索[J].科学咨询（科技管理），2021（23）：114-116.